Root length is proxy for high-throughput screening of waterlogging tolerance in Urochloa spp. grasses

根長可作為高通量篩選尾稃草屬（Urochloa spp.） grasses 耐澇性的代理指標

來源: Functional Plant Biology, Vol 48(4) 2020

《功能植物生物學》，第48卷第4期 2020年

 

摘要

摘要闡述了熱帶地區廣泛種植的C4多年生尾稃草屬（Urochloa） grasses 經常面臨澇漬脅迫，限制了植物生長和生產。然而，目前尚無兼具優異耐澇性、高生物量產量和營養品質的商業品種。本研究旨在鑒定可用于篩選耐澇尾稃草物種的根性狀。研究在充氧或脫氧停滯溶液中培養了八種對比鮮明的尾稃草基因型，評估了其根呼吸、根形態、構型和解剖性狀。此外，還利用內部通氣模型將根性狀差異與澇漬土壤中的根生長聯系起來。研究發現，根部通氣組織形成增加、中柱面積減少以及發育完全栓化的外皮層是改善根部內部通氣特性，從而決定這些C4飼草耐澇性的特征。耐澇基因型比澇敏基因型具有更陡的根角和更長的根長。在停滯條件下，根部橫切面中具有更大比例通氣組織和更小中柱面積的耐澇基因型，其根扎得更深、根角更陡、根生物量更大，進而使得地上部生物量更高?？偢L對地上部干重有最強的正向影響，因此可作為篩選耐澇尾稃草基因型的代理指標。

 

研究目的

本研究的主要目的是鑒定可用于篩選尾稃草屬 grasses 耐澇性的根性狀，并評估根長作為高通量表型篩選耐澇性代理指標的可行性和有效性。

 

研究思路

1.  材料與處理選擇：選取4個耐澇和4個澇敏的尾稃草基因型（已知其耐澇性差異，見Supplementary Table 1）作為研究材料。

2.  控制環境實驗：在溫室嚴格控制條件下，使植株在充氧或模擬澇漬環境的脫氧停滯營養液中生長兩周。

3.  多性狀測量：

    a.  生長指標：測量地上部和根部干重。

    b.  根構型與形態：測量根數目、根延伸速率、根角（與垂直軸的夾角）、主根和側根總長度。

    c.  根解剖：在根尖后50mm處制作根橫切面，測量橫截面積、通氣組織百分比、中柱面積、皮層/中柱比，并通過染色觀察木質化和栓化沉積（木栓質）。

    d.  根呼吸：使用Unisense MicroResp系統測量離體根段的耗氧速率（呼吸速率）。

4.  模型驗證：利用測量的根解剖和呼吸數據，運用Armstrong (1979) 和 Pedersen et al. (2020) 的模型計算澇漬土壤中的理論最大根長，并與實測根長進行比較。

5.  統計分析：通過方差分析(ANOVA)比較處理和基因型間的差異，通過相關性分析確定各性狀與耐澇性（以地上部生物量為代表）的關系。

 

測量的數據及研究意義

1.  地上部和根部干重：測量了不同處理下植株的生物量積累。研究意義：量化澇漬脅迫對生長的總體影響，并確認所選基因型的耐澇性表型。耐澇基因型在停滯條件下生物量下降幅度顯著小于澇敏基因型。

2.  根構型與形態性狀（表1）：包括主根數目、根延伸速率、根角、主根總長度、側根總長度。研究意義：揭示耐澇基因型在澇漬下能維持更好的根系生長和更趨向垂直向下（陡根角）的生長策略，這有利于在澇漬后土壤變干時獲取更深層的水分和養分。

 

 

3.  根解剖性狀（表2）：包括根橫截面積、通氣組織(%)、中柱面積、皮層/中柱比、外皮層栓化（木栓質）和木質化程度。研究意義：從機制上解釋耐澇性差異。耐澇基因型具有更高的通氣組織形成能力、更小的中柱面積（降低耗氧密集組織比例）和更完整的外皮層栓化屏障（減少徑向氧損失ROL），這些特性共同增強了根部內部的縱向氧氣傳輸，支持根在缺氧環境中的生長和存活。

 

4.  根呼吸速率：使用Unisense MicroResp系統測量。研究意義：為模型計算提供關鍵參數。測量發現耐澇基因型Tully完整根段的呼吸速率顯著低于澇敏基因型Mulato II，但將其切開（消除栓化屏障對氧氣進入的限制）后，其呼吸速率與澇敏基因型相當，直接證明了栓化屏障在限制氧氣擴散（包括 inward 和 outward）方面的強度。

5.  模型預測的最大根長（表3）：利用根解剖（孔隙度）和呼吸速率數據，通過兩個版本的模型計算理論最大根長。研究意義：從生物物理角度驗證根性狀對耐澇性的貢獻。模型預測耐澇基因型能達到更長的根長，且使用考慮了中柱和皮層呼吸差異的改進模型(Pedersen et al. 2020)時，預測值與實測值的相關性更高，表明這些解剖性狀對內部通氣效率至關重要。

 

結論

1.  耐澇尾稃草基因型（尤其是U. humidicola）在澇漬脅迫下表現出優越的根系適應性，包括更高的通氣組織形成、更小的中柱面積、更完全的根外皮層栓化屏障、更陡的根生長角和更長的根總長度。

2.  這些根解剖和構型性狀通過改善根部內部氧氣從地上部向根尖的縱向運輸，顯著增強了基因型在缺氧土壤環境中的根系生長和生存能力。

3.  總根長與停滯條件下植株的地上部干重呈現極強的正相關性（r=0.94, P≤0.001），是預測耐澇性的最有力指標。

4.  因此，總根長可以作為一個有效的、相對易于測量的代理指標（proxy），用于尾稃草育種項目中大規?；蛐偷母咄磕蜐承院Y選。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的MicroResp系統（包含O2微傳感器optode） 測量了離體根段的氧氣消耗速率（呼吸速率）。該測量具有關鍵的研究意義：

1.  提供精確的生理功能數據：Unisense MicroResp系統能夠精確、實時地測量活體根組織在特定溫度下的耗氧速率，這直接反映了根組織的代謝活性（呼吸強度）。

2.  揭示栓化屏障的關鍵作用：測量結果清晰地顯示，耐澇基因型（Tully）完整根段的呼吸速率顯著低于澇敏基因型（Mulato II）。這并不是因為其組織代謝活性低，因為當將Tully的根段切開以繞過栓化屏障后，其測得的呼吸速率與澇敏基因型沒有顯著差異。這一對比提供了直接且令人信服的實驗證據，證明耐澇基因型根部發育的栓化屏障極其有效，它不僅強烈限制了氧氣向根際的徑向損失（ROL），也同樣限制了氧氣從外部介質向根組織內部的擴散（inward diffusion），從而顯著降低了完整根段從外部介質中消耗氧氣的速率。

3.  為模型提供關鍵參數：測量得到的呼吸速率是計算理論最大根長的關鍵輸入參數。本研究沒有簡單假設所有基因型呼吸速率相同，而是通過實際測量為模型提供了更準確、更符合生理現實的數據，從而提高了模型預測的準確性和可靠性。

4.  連接解剖結構與生理功能：Unisense傳感器獲得的數據成功地將觀察到的解剖結構（栓化層）與其實際的生理功能（限制氣體擴散） 定量地聯系起來，深化了對耐澇機制的理解。

 

總之，丹麥Unisense MicroResp系統的應用為本研究提供了不可或缺的、定量的生理功能數據。它不僅驗證了解剖學觀察的生理意義，而且為數學模型提供了關鍵參數，從而將“形態解剖特征”與“耐澇性能”通過“生物物理機制”有機地、定量地聯系在一起，極大地增強了研究結論的深度和說服力。